電漿光譜
正文
從電漿內部發出的從紅外到真空紫外波段的電磁輻射譜。它攜帶了大量有關電漿複雜的原子過程的信息。利用光譜學的原理和實驗技術，並藉助於電漿的理論模型，測量分析電漿光譜，對於電漿的研究是有重要意義的。電漿光譜主要是線狀譜和連續譜。線狀譜是電漿中的中性原子、離子等由其高能級的激發態躍遷到較低能級時所產生的，單個粒子發射的譜線強度主要決定於:①原子或離子的外層電子處於上能級的幾率,②這種電子從上能級躍遷到下能級的躍遷幾率，③光子在逸出電漿之前被再吸收的幾率。但譜線的總強度與電子和離子的密度和溫度有關，每條譜線有它自己的強度分布規律,因此從譜線強度的測量,結合理論模型和上述光譜中的原子數據，可以得到電子、離子的密度、溫度等信息。根據都卜勒效應，從譜線波長的移動可確定電漿的巨觀運動速度。連續譜是電子在其他粒子的勢場中被加速或減速而產生的。從連續光譜強度的測量，也可得到電子密度、溫度等數據。
隨著電漿溫度的升高，如到達106度以上,原子的外層電子逐漸被剝落，形成各種離子態的離子,如CⅣ、CⅤ、OⅥ、NⅤ、FeⅪⅩ、TiⅪⅩ（Ⅰ為中性原子，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、…為失去 1、2、3、…個外層電子的離子）等。這些高次電離的離子，其線狀譜大都處在遠紫外波段。連續譜的情形，也是隨著溫度的升高，其發射強度的極大值往短波方向移動。對於高溫電漿，如目前聚變高溫電漿，其工作物質是氫及其同位素氘和氚，但不可避免地會含有一些雜質，如C、O、Fe、Ti、Mo、W等元素，溫度已達107度以上，這些雜質離子的光譜大部分是在真空紫外及 X射線波段。分析這些較重雜質的高次電離譜線的出現時間和位置，比較它們的強度，對這樣高的溫度的電漿的參量測量、輸運過程和電漿的輻射損失等的研究都是很重要的。尤其是對類氫、類氦離子的譜線強度的分析，更為有用，因為對於這些離子的原子數據較為完全。
電漿光譜的另一個重要方面，是譜線的形狀或輪廓。光譜線並不是“線”，而是有一定寬度的輪廓。在電漿光譜中，譜線增寬的機制較複雜，其中有兩個因素比較重要，就是都卜勒效應和斯塔克效應。電漿中的各種粒子處於無規熱運動狀態，它們相對於觀察者具有各種方向和大小的速度，就會產生都卜勒頻移，因此，所發射的光譜線不再是“線”，而是按波長的某種分布，即譜線“變寬”了，這就是都卜勒增寬。都卜勒增寬同離子速度分布有關，如這種離子的速度呈麥克斯韋分布，則與其離子溫度有關。用都卜勒增寬測量高溫電漿中的離子溫度是一種常用的方法，離子溫度可用下式計算：
，
另一個重要效應是斯塔克效應。電漿中的每個發光粒子都處於其他粒子所帶電荷產生的電場中，由於電場的作用,這個粒子所發射的光譜發生分裂,這就是斯塔克效應。分裂情況同電漿中的粒子密度有關。帶電粒子產生的微觀電場是複雜的，引起各式各樣的斯塔克分裂，疊加的結果，使光譜線變寬，形成斯塔克增寬。在溫度較低(幾個電子伏)、密度較高（大於10τm-3 ）的電漿中，常用斯塔克增寬來測量電子密度。
的斯塔克增寬理論較為完整，理論指出這類斯塔克增寬譜線輪廓的半高全寬度與
成正比，Ne為電漿的電子密度。 聚變裝置的高溫電漿往往處於強磁場中，會引起光譜線分裂，這就是光譜學中熟知的塞曼效應。在一些大型聚變裝置中，磁場強度為幾個特斯拉(T),分裂正比於磁場強度B和波長λ的二次方的乘積，如λ＝5000┱，B＝1T時,則塞曼分裂＝0.117┱。根據譜線塞曼分裂的大小可推算電漿中的磁場強度。
如上所述，測量電漿的輻射，如譜線強度、譜線輪廓以及譜線的分裂、位移等後，就可以得到電漿的一些參量，如電漿成分、溫度、密度等。這方面的工作構成電漿光譜診斷學，是電漿診斷學的一個重要組成部分。
配圖
以美國熱電等離子發射光譜儀iCAP 6300 為例
美國熱電iCAP 6300美國利曼Leeman Prodigy為例：
美國利曼Leeman Prodigy相關連線
全譜直讀型台式ICP光譜儀
全譜直讀型台式ICP光譜儀技術特點：
光學系統：全新豎式光室設計，全封閉驅氣型，採用精密溫控恆溫系統，高能量中階梯光柵石英稜鏡交叉色散內光路，波長和級次二維色散，所有光學元件均使用全反射球面鏡，保證高光通量和低圖象失真。
光柵： 採用超高分辨干涉刻制技術，52.91條/mm，63.5閃耀角
稜鏡： 交叉色散，採用雙通過設計確保成像質量，9.5角，超純紫外熔融石英
波長覆蓋： 166-847nm全波長覆蓋，Al 167.120nm測試可獲得更高紫外靈敏度，對於K 766.490nm和Na 818.326nm長波同樣性能優異
焦距： 383nm，緊湊型光室
解析度： 0.007nm在200nm處的光學解析度，採用大衍射角高的光譜級次，在短焦距下可獲得高解析度
光路： 驅氣型光室，可以是氬氣或者氮氣，驅氣量0-2L/分鐘，典型1L/分鐘即可獲得優異的紫外性能，特別對於As和P的測定。外光路設計，對於垂直炬可選擇觀測高度，對於雙向炬可選擇觀測方式
波長校準： 採用C、N和Ar線自動波長校準程式，確保長期波長穩定性
光室恆溫： 38±0.1℃精密光室恆溫，恆溫速度小於20分鐘
檢測器：新一代RACID86電荷注入式檢測器（CID）是高性能的固體成像系統。熱電的CID是能夠傳輸高反差/低噪音圖象的加強型電荷傳輸器件，它可以對分析範圍內的所有波長進行定性定量，而決無電荷溢出（Blooming）現象。
檢測器模式： 隨機讀取積分（RAI）
經選擇的分析波長以最佳信噪比的方式同時積分，這樣光所產生的電荷量可以保持在CID的線性範圍內。它是利用了CID所獨有的非破壞性讀取(NDRO) 功能而獲得的。NDRO 允許觀測任意曝光點的任何像數單元上的信號。在這種方式下，像數與像數之間的讀出頻率隨著發射強度的實時觀測而各不相同，因而得到最寬的動態範圍線性。
陣列尺寸： 291,600個獨立定址檢測單元，540×540陣列連續覆蓋所有可用波長
像數尺寸： 27×27um
量子化效率： 200nm紫外區可達65％以上
石英窗： 前置成角度封閉式石英窗，提高CID可靠性並降低雜散光
檢測器冷卻： 高效三級半導體製冷，製冷溫度-45℃，冷卻時間小於3分鐘，氣體和冷卻水安全連鎖
電漿觀測：
垂直觀測： 電漿使用高效氟化鎂塗層鏡子以垂直模式直接觀測。入射光經封閉驅氣的外光路，防腐蝕並可獲得最佳的紫外區光譜性能。觀測高度可以由軟體自動最佳化，也可由操作者進行選擇。
雙向觀測： 電漿可以水平觀察以適應於最低檢出限的套用要求，通過附加的垂直觀測方式減少基體效應。兩種觀察方式可以由計算機全自動控制。觀察方式的選擇可以是全垂直、全水平或根據譜線靈活選擇。
自動準直水平觀測中心通道。
獨特的SiN錐接口技術有效去除尾焰，並且保持良好的紫外性能。
電漿源：固態RF發生器
頻率： 27.12MHz
操作模式： 全自動軟體控制點火與操作，直接耦合變頻阻抗控制自動調諧。功率穩定性優於0.1%
功率輸出： 750-1700W(確認值1500)，計算機控制連續可調
輸出效率： 大於78％，適用於包括甲醇等有機樣品在內的各種樣品分析
冷卻方式： 水冷和風冷
進樣系統：
霧化器： 玻璃同心圓霧化器
SeaSpray高鹽霧化器、V型槽霧化器、耐HF酸霧化器和超聲霧化器可選配
霧化室： 玻璃漩流霧化室，配置垂直和水平不同的連線管
蠕動泵： 高精度12滾輪3通道蠕動泵，0-125轉/分鐘連續可調。當電漿熄火時處於Standby狀態防止泵管損壞。
炬管： 配置1.5mm垂直或2.0mm水平中心管的可拆卸式石英炬管。可選配1.0，1.5，2.0mm石英中心管和2.0mm耐HF酸剛玉中心管。預準直卡式炬管設計，方便快速更換，無需拆卸冷卻氣和輔助氣氣管。
氣體控制：霧化器氣體，冷卻氣和輔助氣三路獨立氣體控制
霧化器氣體： 採用MFC質子流量計控制，連續可調。
冷卻氣： 12L/分鐘
輔助氣： 0，0.5，1.0，1.5L/分鐘可調
作業系統：Microsoft WindowsTM 2000或XP
iTEVA軟體：iCAP6000系列的iTEVA操作軟體提供對儀器所有功能全控制，包括電漿點火，氣體流量，觀測方式和安全連鎖的監控。
日常分析軟體： 在任何像數位置或指定的子陣列區域中進行定量分析
自動或手動實時背景校正點選擇
預設的系統參數設定和全過程程式的執行
對於垂直觀測，用戶可選電漿觀測區域或全自動最佳化
分析過程中子陣列數據採集，用於條件最佳化後的數據後處理
多重光譜圖疊加顯示方式，簡化方法的開發
全譜“指紋”攝譜研究模式：
拍攝整個發射光譜或部分譜圖，以彩色或灰度顯示發射強度，2D線性或對數（強度與波長）顯示
全譜線或峰值識別，全互動式譜線庫，評價潛在的譜線干擾，進行元素定性分析
同一材料的全譜圖比對和基體或空白的減扣模式
自動進樣器模式：全兼容自動進樣器使得無人操作和關機。基於HTML樣品檔案，靈活控制定製樣品放置位置。
質量控制檢查： 針對於QC表，自動檢查QC樣確保整個測試過程的重複性和準確度
校正模式： 多點校正曲線，每條校正曲線的標準點不受無限制
可選擬合類型：線性，曲線, 全擬合，
曲線擬合顯示：線性或對數，自動調節量程
報告軟體： 標準報告格式，用戶可根據樣品名稱、方法名稱、日期、時間、元素、濃度、強度、平均值、標準偏差、相對標準偏差等來過濾報告輸出。使用第三方軟體定製報告生成，兼容SQL伺服器，DDE-格式資料庫等無限制資料庫功能
可選格式：分析數據可以複製到商用用戶數據管理器，如電子表格，Word文字處理，圖形程式等。
兼容附屬檔案：iCAP 6300可以兼容包括標準進樣系統、有機和揮發性有機進樣系統、高鹽進樣系統和耐HF酸進樣系統在內的所有進樣附屬檔案包。另外兼容：
自動進樣器： Cetac ASX260、ASX520、EXR-8智慧型化自動進樣器
超聲霧化器： Cetac U5000AT＋，對於水樣的靈敏度可提高10-15倍
氫化物發生器：線上-氫化物組件分樣品、硼氫化鈉和廢液獨立通道，可 使As、Sb、Bi、Hg、Sn和Te的靈敏度提高8-10倍
